ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

МЕТОДИКИ ПО ИЗУЧЕНИЮ УСЛОВИЙ САМОВОЗГОРАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Поскольку, как было показано в аналитическом обзоре, способность металлических материалов к самовозгоранию зависит от способа разрушения конструкций, эксперименты по разрушению металлов проводились в максимально различающихся условиях:

  • • при растяжении образцов до разрыва;
  • • при ударном воздействии на пластину недеформируе- мым конусом;
  • • при сквозном пробое мембраны с истечением высокоскоростного потока кислорода через образовавшееся отверстие;
  • • при разрыве трубчатых конструкций внутренним давлением кислорода;
  • • при обдуве пластины высокоскоростным потоком кислорода.

В экспериментах по первой методике цилиндрический образец анализируемого металлического материала с рабочей частью диаметром d = 3 мм и длиной 1 = 35 мм закрепляли в вертикальном положении в зажимах разрывной машины в аппарате (V= 0,7 л) повышенного давления, снабженного съемной печью — сопротивления или охлаждающей рубашкой. После нагрева до заданной температуры Т0 (от 293 до 873 К) в аппарат подавали технический кислород или его смесь с азотом необходимых концентрации С и давления Р (от 0,1 до 20 МПа). Затем образец подвергали одноосному растяжению (при скорости перемещения захватов 0,17 мм/с) до разрыва. В процессе эксперимента фиксировали температуру газовой среды Т0 (с помощью хромель-алюмелевой термопары с открытым спаем) и давление Р (с помощью манометра) в аппарате.

В аналогичных опытах со смесями кислорода с парами воды в аппарат с загруженным образцом заливали воду (50 мл), после чего подвергали нагреву до заданной температуры газовой среды Т0. После достижения соответствующего парциального давления насыщенных водяных паров подавали кислород до необходимого давления и после 10-минутной выдержки при заданных температуре Т0 и давлении Р включали разрывную машину.

В случае низкотемпературных испытаний газообразный кислород в аппарате с установленным образцом захо- лаживали до жидкого состояния подачей в охлаждающую рубашку жидкого азота, а затем поддавливали до необходимого давления газообразным 02.

После испытаний поверхность разрушения (излом) образца подвергали микроскопическому анализу на предмет обнаружения следов горения: круглого пятна блестящего (ранее расплавленного) металла в случае титана или участка темной пористой окалины на железе, сталях и сплавах. (Минимальный размер очага, фиксируемый под микроскопом, ~ 10 мкм.) Для каждого материала при данной температуре испытаний Т0 устанавливали критическое давление возгорания Р* — минимальное давление кислорода, разрушение образца при котором приводит к появлению на образующейся ювенильной поверхности начальных очагов горения. В случае испытания в смесях под понятием «критическое давление возгорания» Р„пх понимали минимальное парциальное давление кислорода в смеси для данного парциального давления разбавителя, при котором...

Природу и размер образующихся при разрушении фрагментов исследовали методом электронной фрактографии.

Для изучения влияния вида излома на значение Р' материалов эксперименты проводили на титановых цилиндрических образцах, подвергнутых термостатированию в вакууме при той или иной температуре или имеющих У-образный надрез. Для материалов, полученных в виде листа, опыты проводили на прямоугольных образцах (10х 30x1,0^-1,5 мм) с пропилами с двух сторон (на глубину 4 мм) в средней части.

Влияние скорости разрушения на величину Р* изучали на пластинках фольги (40x10 мм) толщиной 5 = 0,025; 0,050 и 0,090 мм, подвергаемых одноосному растяжению при постоянной скорости захватов разрывной машины (0,17 мм/с) в среде кислорода заданного давления [27]. Определение Р* проводили при последовательном повышении давления с шагом 0,5 МПа. Разрушение пластинок с различной скоростью обеспечивали нанесением на них с одной или двух сторон симметричных V-образных надрезов глубиной 3 мм. Скорость разрушения оценивали по линейной скорости V распространения разрушающей трещины, образующейся при растяжении в вершине надреза. Для определения величины V фольги титана с надрезами, аналогичными используемым при определении Р*, подвергали растяжению на воздухе с киносъемкой процесса разрушения (кинокамера СКС-1М, 1500 кадров/с). По результатам обработки данных киносъемки для каждого образца фольги строили зависимость приращения длины АI трещины во времени, которую использовали при установлении максимальной скорости распространения разрушающей трещины.

Эксперименты по растяжению образцов до разрыва при более высоких температурах (до 1573 К) и давлениях (до 70,0 МПа) кислорода проводили с использованием разработанного [28] специального устройства (рис. 2.1). Испытуемый цилиндрический образец 1 с кольцевым надрезом 2, снабженный термопарой 3, регистрирующей температуру поверхности вблизи места разрушения (надреза), фиксировали внутри трубчатого электронагревателя 4. С использованием пружины 9 с различной для каждого эксперимента степенью сжатия в образце создавали необходимый уровень растягивающей нагрузки. Собранное устройство помещали в рабочую камеру высокого давления р = 70 МПа), клеммы (10) устройства подключали к зажимам электровводов, в камеру подавали кислород под

Рис. 2.1

Устройство для разрыва металлических образцов в кислороде высокого давления:

1 — разрываемый образец; 2 — инициатор разрушения в виде кольцевого надреза; 3 — термоввод Х-А термопары; 4 — трубчатый электронагреватель; 5 — силовая скоба; 6 — изоляционные втулки; 7 — прокладки; 8 — гайки; 9 — пружина; 10 — клеммы электровводов; 11 — термоизоляционный кожух.

необходимым давлением и включали нагрев трубчатого электронагревателя (ТЭНа). При разогреве, вследствие падения прочностных характеристик материала образца и неизменности уровня растягивающей нагрузки, образец в месте кольцевого надреза подвергался разрушению с появлением ювенильной поверхности металла в контакте с кислородом заданного давления. В зависимости от уровня сжатия пружины разрушение осуществляли при различ- ной температуре образца в месте надреза Т0 (873-^1473 К). Устанавливали вид зависимости Р* = f(T0).

С использованием еще одного разработанного устройства [29]—[31] цилиндрический стержень (d = 3 мм, I = = 70 мм) из исследуемого материала с выточкой (dB = 1 мм) на расстоянии 1В = 10 мм в средней части нагревали переменным электрическим током в потоке горячих продуктов разложения закиси азота (Тг = 1310 К, V = 0,05 м/с, состав: 02 ~ 31%, N2 ~ 66%, N0 ~ 3% об.) заданного давления (3,5-н4,9 МПа). С использованием хромель-алюме- левой термопары регистрировали температуру поверхности Т0 образца в месте выточки. Для уменьшения систематической погрешности, возникающей при контактном методе замера температуры вследствие отвода тепла по термоэлектродным проводам (с/ = 0,1 мм), последние приваривали к металлу в месте выточки на расстоянии 3 мм друг от друга. Систематическую погрешность (АТ я 16 К), все же имеющую место при указанном способе крепления, учитывали [32] при установлении истинной температуры поверхности. Температурный интервал экспериментов ограничивался предельной температурой использования Х-Атермопары (1573 К).

При достижении заданной температуры Т0 ток, протекающий через образец, отключали и образец разрушали при растяжении в потоке продуктов разложения того или иного давления. По результатам экспериментов, проводимых при различных давлениях смеси, строили зависимость критического давления возгорания материала Pnix от температуры поверхности образца перед разрушением Т0.

В экспериментах по ударному воздействию на материал пластину (20x30x2 мм) из исследуемого сплава устанавливали в аппарате повышенного давления напротив ударного устройства, представляющего собой конус с углом заточки 45° из высокопрочной закаленной стали, закрепленный во взведенной и оттарированной по нагрузке пружине. После заполнения аппарата кислородом заданного давления и спуска пружины по пластине острием конуса наносили удар (угол атаки 90°, энергия удара ~ 0,4 Дж)

Использованные методики экспериментов 41

и и hi и hi и hi iti н in и ж к in и iti hi и hi ti hi и hi ti hi ж и hi и m in и ill и hi и ill iti и mu hi и in mu mil ill ti ill ill и hi и ill и hi и ill hi и iii и hi и iii и hi hi и hi и in и hi mu hi ti hi и hi ti hi ж и hi и ж и hi hi и hi

с последующим микроскопическим анализом места разрушения поверхности.

Аналогичным ударником осуществляли сквозной пробой и титановой мембраны (толщиной 5 = 0,3-^1 мм), разделяющей емкость, заполненную кислородом при заданном давлении, и воздушную среду. После пробоя мембраны ювенильная поверхность титана подвергалась воздействию потока кислорода, истекающего через образовавшееся отверстие из емкости с околозвуковой скоростью. Ступенчато повышая давление кислорода в емкости, после каждого срабатывания ударника анализировали поверхность разрушения мембраны на предмет обнаружения начальных следов возгорания, на основании чего устанавливали значение Р* сплава.

Эксперименты по разрыву давлением газообразного кислорода трубчатых закрытых с одной стороны цилиндрических образцов (внутренний диаметр 3 мм, толщина стенки 2 мм, давление кислорода до 70,0 МПа) проводили с использованием разработанного [33] специального устройства (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Устройство для разрушения трубчатых образцов давлением кислорода:

1 — разрываемый образец; 2 — место локального утончения стенки; 3 — термопара; 4,5 — электрозажимы; 6 — уплотнительная прокладка; 7 — защитный кожух; 8 — дренажный патрубок; 9 — защитный козырек; 10 — термовводы.

Открытую сторону образца подсоединяли к источнику кислорода высокого давления. Для образования разрыва в фиксированном месте стенку образцов в средней их части подвергали локальному утончению до толщины б = 0,5-^1 мм. Варьированием величины б достигали разрушения стенки давлением кислорода при необходимых значениях температуры испытаний Т0 (температуры стенки образца в момент, предшествующий ее разрушению) и давления. Температуру Т0 фиксировали с использованием хромель-алюмелевой термопары, термоэлектродные провода которой бесспайным способом приваривали к поверхности образца в месте утончения, чем минимизировали погрешность измерения температуры [32]. Образец с заданной толщиной стенки 5 в месте утончения нагревали (за счет пропускания переменного электрического тока или с использованием трубчатого электрического нагревателя) до необходимой температуры (Т0 < 1573 К), после чего в его внутреннюю полость подавали газообразный кислород под сравнительно низким давлением. Постепенно повышая давление кислорода в полости, достигали разрушения стенки образца в месте утончения с истечением потока кислорода через образовавшееся отверстие. Поверхность разрушения подвергали микроскопическому осмотру с целью обнаружения очагов горения. При их отсутствии проводили эксперимент при той же температуре, но с образцом большей толщины в месте утончения, что обеспечивало разрушение стенки при более высоком (на 1^-2 МПа) давлении среды. Минимальное давление кислорода, при котором разрушение образца приводило к появлению на поверхности разрушения начальных очагов горения, принимали за критическое давление возгорания Р* материала при данной температуре испытаний Т0.

В экспериментах [34], [35] по обдуву образцов высокоскоростным потоком кислорода пластину 10(рис. 2.3)размером 13x30x1,5-^4,5 мм из анализируемого материала жестко крепили в металлическом держателе 11 на фиксированном расстоянии (/ = 1,0-нб,0 мм) перед срезом насадка (металлический ниппель с отверстием диаметром d = = 1,2н-3,0 мм). Последний через клапан 7 соединяли труИспользованные методики экспериментов 43

и и in и in м hi in и in n in и in и hi in и in n in и in и in in n in и in in и in n in и in in и hi и in и in in и in и in и hi in и in n in и in и in in и in n in и in n in in n in и in n in и in in n in и in n in in n in и in и in in и in

Рис. 2.3

Принципиальная схема установки для изучения условий воспламенения металлов в потоке кислорода:

1 — фильтр очистки газа с размером ячейки 20 мкм; 2 — электропотенциометр; 3 — выключатель; 4 — статический вольтметр; 5 — термопара (хромель- копель); 6 — емкость (V = 0,5 л); 7 — вентиль; 8 — насадок; 9 —датчик давления; 10 — испытуемый образец; 11 — держатель и поворотное устройство; 12 — кинокамера.

бопроводом с емкостью 6, заполненной газообразным кислородом 0 < 70 МПа, Т0 = 300 К).

После открытия клапана широкую сторону образца в течение 1-3 с подвергали воздействию потока кислорода (угол атаки ау а = 4^-90°), истекающего из отверстия насадка с критической скоростью (~ 340 м/с). Опыты проводили при ступенчатом поднятии давления в емкости (с шагом 1 МПа) и десяти пусках кислорода для каждого значения Р0. Вся установка размещалась в боксированном помещении и обеспечивалась дистанционным управлением. Процесс обдува и возгорания фиксировали кинокамерой «Конвас» (25 кадров/с). Место воздействия газового потока на поверхность образца исследовали микроскопическим методом и измерением микротвердости с использованием микроскопа «YERSAMET-2» и микротвердомера «MECROMET-2».

Для определения величины полного давления кислорода Pw у металлической поверхности при обдуве с использованном датчика давления (ДДМ 100) проводили специальные тарировочные испытания на образцах, снабженных отверстием, выполненном в месте воздействия потока. В других опытах термоэлектрическим методом фиксировали температуру поверхности обдуваемого образца.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >